直滤式滤板及研制及其意义.doc

直滤式滤板的研制及其意义叶 善 园摘要：本文客观分析了国内外目前滤池使用的集配水系统的现状和优缺点，并对新型滤板设计的技术参数提供了详细的资料，对设计人员在设计滤池集配水系统时有一定的参考价值。1 前言自从人类有意识地对使用水进行净化处理以来，砂过滤技术因其使用方便，经济合算等优点，一直被长期使用着。随着科学技术的发展，砂过滤工艺也不断有了新的要求，各种型式的滤板、滤头，以及反冲洗和气水联合反冲洗等方式，都是以提高砂过滤效率等为目的而发展起来的一些新产品和新工艺。一个滤池运行状况的优劣，对出水水质和制水成本有着重大的影响。在最初设计的快滤池、慢滤池、无阀滤池、虹吸滤池、双阀滤池等各种形式的滤池中，其滤层均采用卵石、无烟煤、滤砂级配的方式组成。滤层挡板一般采用各种材质制成的槽形板或多孔板。这种滤层组合方式的缺点是：滤层高度大、反冲水比例大、短流现象严重、易跑砂漏砂，以上几点造成了滤池运行性能差，提高了制水成本，浪费了资源。八十年代开始，我国开始引进国外的滤板、滤头相结合的组装形式，即在各种材质的滤板上安装开有细小滤缝、滤孔的滤头。这种形式的滤板，减少了卵石级配这一环节，以滤砂直接铺在滤板上，使得反冲水比例大大降低，提高了经济效益。因此，我国各大小水厂在新建或改造中，基本上是采用了滤板、滤头相结合的组装方式。为了进一步改善滤板、滤头的效能，本人从八十年代初开始，对滤板、滤头相结合的组合方式进行了长期的研究，经过十几年的反复试验，终于成功研制成“直滤式滤板”。该滤板取消了滤头，将滤缝或滤孔直接开启在滤板上，是一种完全创新的新颖产品。2 国内外滤池集配水系统的现状21目前滤池中各种滤板及其它集配水系统的现状在给排水处理中，过滤是常见的一道工艺，特别是给水处理中，是必不可少的。一个滤池运行状况的优劣，对水质的处理效果，运行费用及节约能源和水资源有着重大的影响。在我国的供水厂及污水深度处理中，过滤池大都采用敞开式、下向流，装填颗粒滤料的工艺形式。其集配水系统有三种，而且以集配水系统的阻力大小分类。一是大阻力集配水系统，开孔比为0.20.25%，该系统采用穿孔管排列来集、配水，然后以天然卵石或砾石级配作为滤料承托层。我国早期的水厂及目前仍有部分新设计的水厂均采用此系统。二是中阻力集配水系统，开孔比为0.60.8%，该系统常由陶瓷、水泥砼、塑料或其它材料制成单层、双层及复合型滤块、滤砖或滤箱等形式的产品。其承托层仍需采用一定厚度的卵石级配层。三是小阻力集配水系统，开孔比为1.01.5%，该系统采用长、短柄滤头和滤板相结合的方式。滤头一般采用塑料制成，滤板则采用混凝土或其它材料制成。该系统的最大特点是取消了卵石级配的承托层，并可进行水、气联合冲洗。注：集配水系统是指过滤时的集水和反冲洗时的配水共同系统的装置。22 各种集配水系统的优缺点分析221大阻力集配水系统该系统的优点是滤池反冲洗均匀性较好，适用于大面积滤池而且施工较为简便，造价较低，无需采用特定产品，一般的施工单位均能自行施工解决。其缺点是阻力大，水头损失大，因而反冲水比率大，浪费了水资源。同时，由于反冲洗时承托层不能膨胀，其表面生长的微生物层不易脱落，容易使细菌繁殖，给处理后段的消毒、杀菌带来不利影响，而且，该系统的承托层中存在较大的“死水区”。这也会给出水水质带来影响。222中阻力集配水系统该系统以单体定型双层滤砖或复合人字型滤箱为代表，材料有陶瓷、水泥、塑料等。该系统的优点是单元可以定型制造，可以批量生产而且阻力相对比大阻力系统小，可减少一定的水头损失，消除了穿孔管锈蚀等带来的不利影响，其次是滤砖可采用气水联合反冲的方式。缺点是卵石级配的缺陷仍存在，近年国外为减少承托层采用了多孔滤毯固定在滤箱表面的方式，但因工艺要求高、造价高等因素，终未能大规模采用。该系统的施工要比大阻力集配水系统麻烦。223小阻力集配水系统采用滤头、滤板相结合的小阻力集配水系统系从国外引进的。该系统的最大优点是取消了卵石级配这环节，基本上取消了滤料承托层，所以因承托层存在而带来的一些不利因素也可消除。同时该系统可进行气、水联合反冲，可使反冲水比率降低，能在一定程度上节约水资源。该系统的不足之处是：一是滤板在制作时受材料、浇灌过程、天气、保养时间等影响，质量稳定性差，施工生产单位所提供的产品质量很难完全满足设计人员的要求。二是由于滤板安装时固定压板仅能压在角上，因此角部会发生压板处滤板破裂的情况。三是滤板重量重，自重约为250kg/m2，因此安装极不方便，而且其运费高昂。四是滤板安装时需滤梁承托，滤梁的存在使反冲洗时的阻力增大，为使反冲水进口至滤池最远点的水头损失尽量降低，设计施工往往采取在各条滤梁上开花窗的方式，以求提高其均匀性，但这个方式仍不足完全消除沿程水头损失。于是，有时只好以减少滤头的安装数量来提高阻力，以达到反冲洗的均匀。由于滤头是属于点式集、配水的，因此，加大滤头的安装间距后，反冲时很难使滤头之间的滤料得到有效清洗，加大了“死水区”的范围。五是滤头受制造尺寸的限制，滤缝夹角较小，因此反冲洗时所带来的一些颗粒，往往在滤头内存积，造成堵塞。而滤帽的脱落和破损，又会造成漏砂的现象。我们在工程维修中，发现不少同时存在堵塞和漏砂情况。六是，滤板块体之间的缝隙的封闭较为麻烦。使用时间一长，胶体发生变质，会造成漏砂现象。七是，混凝土滤板施工周期长，一个模具一天仅能浇灌一块滤板，如果缩短浇灌保养时间，则会直接影响滤板的强度和质量。许多滤板往往是加工时即已出现问题，并非使用后才产生损坏。3 新型滤板的设计31研制新产品的意义根据我们长期施工经验的积累和调研，并对现有各种型式的集配水系统的优缺点进行分析，我们认为：滤池的各种集配水系统是一种既能起集、配水作用又能起滤料挡板作用的一种装置。通过对现有装置的分析研究，设计一种新型装置，使其既能保留传统装置的优点，又能改进其缺陷，将是一件十分有意义并具有经济效益和社会效益的工作。据我们初步统计，从九十年代开始，国内在新建水厂及老滤池的改造中，花费在滤板上的造价费用每年均达上亿元。一个10万T/d的水厂，滤板的费用约为5080万元。截止二OO二年底，北方及西部地区的中小型水厂，基本未作改造，加上西部开发的需要，滤板的市场前景十分广阔。同时，我国的污水处理已进入深度处理阶段，其生物滤池、活性碳池、砂滤池均需使用滤板，这将是一个需求量巨大的市场。另外，根据调查检索，不见国外有类似新型滤板的报道。因此，若开发成功，其进入国际市场的前景是十分广阔的。32 直滤式滤板的总体设计构思和要求321新产品应能满足老滤池改造和新建滤池均能方便使用的要求。322新产品对于单水反冲滤池或气、水联合反冲滤池应均能适应。323新产品安装时应取消滤梁，以彻底消除集、配水时滤梁的阻力。324取消滤梁后，集水区内的沿程阻力趋近于零，所以新产品应比滤头进一步降低自身的水头损失，达到节能节水的效果。325新产品应考虑机械化加工一次成型，以保证质量的可靠性和稳定性。326新产品应使滤头的点式集、配水方式改为均匀的面式集、配水方式，并彻底消除死水区。327新产品应实现重量轻、安装、运输方便的特点。33主要技术参数的确定331滤板强度的设计滤板在使用中，承受了两种力，一是使用时的正向压力，即滤料的重量和工作水头。二是反冲洗时的反向受力。在各种型式的滤池中，石英砂滤料的高度一般为700800mm，过滤水头为1.5m-2m，考虑到强制性过滤时所达到的最高水位及空池进水时的最不利条件，滤板所承受的正向实际压力为3-4T/m2。反冲洗时，单水反冲的水头压力直接作用于滤板上的要低于正向压力。在气水反冲时，则跟设计的空气压力有关，在一般情况下，空气压力减去滤料及反冲出水集水槽的水头高度，直接作用于滤板上的反冲洗压强为3-4T/m2，在未装滤料进行“空榻”试验时的最大压强可达到5-6T/m2。因此，直滤式滤板在制定标准时要求：在正常安装条件下，承受正反向49KN/m2的荷载时，最大变形不大于2mm；承受正反向98KN/m2的荷载时，应不出现断裂现象。这个指标已经达到使用时最不利条件下的2倍。332滤缝宽度和开孔比的设计直滤式滤板的滤缝宽度和开孔比是可以根据设计需要而调整的，所以在标准中未直接设定宽度尺寸和开孔比，仅要求滤缝宽度误差不大于0.05mm。而在产品图纸中则结合滤砂使用一般为粒径0.61.3mm的情况，并结合经过长期使用的长、短柄滤头的滤缝宽度，则设计直滤式滤板的滤缝宽度为0.250.3mm。333几何尺寸和外观直滤式滤板的外型几何尺寸无特别要求，由于滤板安装时可进行切割，因此能满足任何尺寸滤池的安装要求。直滤式滤板是整体通过模具一次性加工成型的，因此不存在平整度，外型尺寸的误差。4 新型滤板技术经济分析41使用要求和效果对比分析项目集配水方式滤料承托层安装滤梁反冲洗阻 力堵塞情况使用寿命重 量施工周期死水区老式滤板点式需要需要大易堵塞易损坏250kg/m2长有新式滤板面式不需要不需要小不堵塞不易损坏25kg/m2短无42技术分析直滤式滤板的创新点之一是集滤头和滤板为一体，使原来的点式集、配水改为均匀的面式集、配水，这不但使过滤和反冲洗时配水、配气的均匀性提高，并且更好地消除了“死水区”，使出水水质得到改善。直滤式滤板创新点之二是安装使用总体效果提高，原来的过滤系统或是采用卵石级配，或是安装时需滤梁承托，这些都占用了集水室的空间，使反冲和集水的均匀性受到影响。滤池设计时，出于对反冲洗均匀性的考虑，单格滤池的建造尺寸受到很大限制。而直滤式滤板安装后，安装承托构件对集水室的影响基本消除，在相同的安装高度时，采用直滤式滤板可使滤池建得更大。直滤式滤板分成单水反冲和气水联合反冲两种类型，使滤池要求配水小阻力，配气大阻力的要求能充分实现，直滤滤板的滤缝呈平行向下的布置，这可使反冲时带动的一些悬浮物不易粘在滤缝上，能有效地防止堵塞。而长短柄滤头则不具备这一条件。直滤式滤板采用机械化加工成型，产品质量的稳定性和可靠性，能有效得到保证。而混凝土滤板在浇灌时，则不易做到这一点，其角部压板处成为了一个薄弱环节，许多损坏的滤板，往往是角部发生断裂引起的。直滤式滤板块体之间的接缝拼装后无需再填充胶泥，而混凝土滤板则需填充胶泥，并且会在长期使用后胶泥脱落而发生漏砂、漏气等情况。为了解决水泥滤板块体接缝之间漏砂、漏气的问题，国内及国外尝试对滤板进行整体浇灌的方式，这样虽然可以解决接缝问题，但施工时需大量的模板，而且需要预留维修人孔。这种方式给施工和维修都带来极大的不便，而且造价也有大幅度提高。直滤式滤板的重量仅为混凝土滤板的十分之一，这极大地方便了安装、运输、维修等方面的工作。混凝土滤板在安装时，如果没有专用吊装设备则不能进行安装，另因安装件重量过重，在安装时常会发生工伤事故。直滤式滤板安装水平精度的调整是采用螺纹调节，这也是其它型式滤板所无法达到的。综上所述，直滤式滤板在技术上的先进性是多方面的。根据调查，国外发达国家所采用的滤板系统，均和我国目前使用的各种型式滤板相同，但同直滤式滤板相同类型的产品和有关报道，均未曾见过。43经济及社会效益分析一个产品的经济效益，包含着两方面的含义。一是直接给国家和企业带来的税利方面的效益；二是对用户在节约综合投资方面带来的效益。经过认真的市场分析，直滤式滤板具有巨大的市场，不但新建水厂和老水厂改造均可以使用，污水处理的生物滤池、活性碳池等也可以使用。根据我们统计，国内前几年用在滤板上的费用均达亿元以上。直滤式滤板目前的造价在1000元/m2左右（包括安装、运输），这和目前混凝土滤板安装后的总体造价基本相同。直滤式滤板目前的价格主要是因前期研发资金的投入量较大，从而影响了成本，待形成规模化生产后，这个造价可进一步降低。直滤式滤板最主要的经济效益是体现在用户上，采用该滤板，土建造价可降低，反冲水用量减少。一个10万T/d水厂一天节约反冲水约2000T，不但直接降低制水成本，产生巨大经济效益，而且对水资源的保护具有重要意义。由于反冲水头要求的降低，能耗的节约也十分可观。今后通过和设计科研部门的合作，设计专门使用直滤式滤板的专用滤池，可使水厂的总体造价降低和滤池效率提高。因此，直滤式滤板的推广应用，将能产生巨大的经济效益和社会效益。5 总结直滤式滤板试制成功后，经清华大学等单位对产品外观、几何精度、刚度、强度、反向荷载试验进行检测，检测结果满足了设计目标，达到了企业标准制订的所有要求。产品经用户在各种类型的滤池中使用后反映：直滤式滤板具有结构设计合理、安装使用方便、安装后块与块之间无接缝、调节水平精度高等优点。并有反冲均匀性好，使老式滤板的点式集、配水变为整体均布的面式集、配水特点。我们认为：直滤式滤板取消了滤梁，彻底消除了滤梁的阻力，无需采用滤头，使滤头滤板合为一体。而且比混凝土滤板重量降低了90%，施工周期可缩短90%，水头损失减少50%，具有其它型式滤板和集配水系统无法相比的优越性。直滤式滤板的技术水平和使用效果证明：该产品已经达到填补国内空白，并处于国内领先的技术水平，根据调研，国外也未见具有相同类型的滤板。直滤式滤板从构思开始到产品定型生产，历时五年多。在此过程中，我们体会到一个新产品要想获得成功，少走弯路，必须有充分的前期准备工作。我们在对新产品的设计时，进行了长期调研，并充分吸收和分析老产品的各种优缺点，对老产品使用中出现的各种情况，认真仔细地分析出其产生的真正原因，而不被一些假象所误导。至今为止直滤式滤板的开发已获得成功，项目目标中提出的要求均已达到。同时，我们在研制过程中设计了第三型产品，第三型产品的抗压强度已达到正反向承重10T/m2不变形，正反向承重20T/m2不损坏。设计第三型产品，我们主要是为了拓宽产品的使用范围，使其能在污水处理的生